模电课设方波三角波压控振荡器

第一章 模电课设概述1.1 设计背景 人们通常把压控振荡器称为调频器，用以产生调频信号。在自动频率控制环路和锁相环环路中，输入控制电压是误差信号电压，压控振荡器是环路中的一个受控部件。 压控振荡器的类型有LC压控振荡器、RC压控振荡器和晶体压控振荡器。对压控振荡器的技术要求主要有：频率稳定度好，控制灵敏度高，调频范围宽，频偏与控制电压成线性关系并宜于集成等。晶体压控振荡器的频率稳定度高，但调频范围窄，RC压控振荡器的频率稳定度低而调频范围宽，LC压控振荡器居二者之间。1.2 设计目的及意义1） 培养学生正确的设计思想，理论联系实际的工作作风，严肃认真、实事求是的科学态度和勇于探索的创新精神。2）锻炼学生自学软件的能力及分析问题、解决问题的能力。3）通过课程设计，使学生在理论计算、结构设计、工程绘图、查阅设计资料、标准与规范的运用和计算机应用方面的能力得到训练和提高。4） 巩固、深化和扩展学生的理论知识与初步的专业技能。5） 为今后从事电子技术领域的工程设计打好基础基本要求。1.3 设计时间 课程设计时间：一周1.4 开发环境proteus简介 PROTEUS软件是由英国LabCenter Electronics公司开发的EDA工具软件，由ISIS和ARES两个软件构成，其中ISIS是一款便捷的电子系统仿真平台软件，ARES是一款高级的布线编辑器，它集成了高级原理布线图、混合模式SPICE电路仿真、PCB设计以及自动布线来实现一个完整的电子设计。 通过PROTEUS ISIS软件的VSM（虚拟仿真技术），用户可以对模拟电路、数字电路、模数混合电路，以及基于微控制器的系统连同所有外围接口电子元器件一起仿真。 在原理图中，电路激励源、虚拟仪器、图表以及直接布置在线路上的探针一起出现在电路中。任何时候都能通过“运行”按钮或“空格”键对电路进行仿真。 PROTEUS有两种截然不同的仿真方式：交互式仿真和基于图表的仿真。其中交互式仿真可实时观测电路的输出，因此可用于检验设计的电路是否能正常工作。 而基于图表的仿真能够在仿真过程中放大一些特别的部分，进行一些细节上的分析，因此基于图表的仿真可用于研究电路的工作状态和进行细节的测量。 PROTEUS软件的模拟仿真直接兼容厂商的SPICE模型，采用了扩充的SPICE3F5电路仿真模型，能够记录基于图表的频率特性、直流电的传输特性、参数的扫描、噪声的分析、傅里叶分析等，具有超过8000种的电路仿真模型。 PROTEUS软件的数字仿真支持JDEC文件的物理器件仿真，有全系列的TTL和CMOS数字电路仿真模型，同时一致性分析易于系统的自动测试。 PROTEUS软件支持许多通用的微控制器，如PIC、AVR、HC11以及8051；包含强大的调试工具，可对寄存器、存储器实时监测；具有断点调试功能及单步调试功能；具有对显示器、按钮、键盘等外设进行交互可视化仿真的功能。此外，PROTEUS可对IAR C-SPY、KEIL等开发工具的源程序进行调试。 此外，在PROTEUS中配置了各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、频率计，便于测量和记录仿真的波形、数据。第二章 课程设计内容2.1 课程设计题目方波、三角波压控振荡电路的仿真与实现初始条件：集成运算放大器、电阻、电位器、电容若干，直流电源，三极管等，或自备元器件可用仪器：示波器，万用表，直流稳压源，函数发生器2.2 课程设计统一技术要求 根据技术指标和已知条件，完成对多路对讲机的设计、装配与调试。采用集成运放和集成功放及阻容元件等构成压控振荡电路，实现直流电压对方波、三角波频率的控制。选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。计算电路元件参数与元件的选择、并画出总体电路原理图，阐述基本原理。(用proteus画电路原理图并实现仿真)安装调试并按规定格式写出课程设计报告书。2.3压控振荡器各单元电路介绍2.3.1 积分电路 图（1）积分电路如图（1）所示，其中UA741为运算放大器，C2为积分电容，利用积分器U1将从信号电压流入的电流积分至电容C2在输出端口6处输出积分结果。其中信号电压为方波提供。设方波的峰值为Uo2，所以积分器输出的电压为vo1=Uo2*t/(R4*C2)。这样该电路就完成了从方波到三角波的转换，在U1的6接口处输出了三角波。2.3.2 迟滞比较器电路 图（2）uA741通用型集成运放，它是一种具有高开环增益，高输入电压范围，有内部频率补偿，高共模抑制比，有短路保护，不会出现阻塞且便于失调电压调零等特点的高性能集成运放。UA741的7号引脚和4号引脚为偏置端，接入正负5V的电源。1号和5号引脚为调零端。UA741的输入端3，接由100K、120K的并联电阻R5、R7，从UA741的输入端2输入积分电路产生的三角波，三角波经过比较器后，从U2的输出端6输出方波，电阻R6、R7给U2很大的迟滞，从而就会一零点为中心，使比较器的阈值在正负向振荡，转换成对应的U2的输出电压的极性。设输出电压为Vl，那么比较放大器的阈值为：VlR6（R6+R7）。所以三角波的输出的峰值为放大器的阈值。 2.3.3 极性转换电路 图（3） 上图（3）极性转换电路，从R6留过来的电流很小经过三极管放大从集电极流入，该图中三极管起到了放大电路和电流反向的作用。2.4 压控振荡器整体电路图图所示为利用电压控制周期也即频率的三角波与方波发生器。U1是FET OP放大器，此次选择的是uA741运算放大器，U2是可使电源电压充分震荡的比较放大器。也用的741.。 压控振荡器有两种缓冲输出：三角波和方波输出。频率是由比较器的输出电压摆幅决定的。通过将Q1替换成一个开光场效应晶体管可得到更优越的性能。快速场效应晶体管运算放大器可提高高频率时的表现。 首先利用积分器A1从信号源VS流入的电流积分至电容C,而在输出Vo1处输出积分结果。利用比较器监视输出电压，达到一定电压时使积分器的极性反向，极性转换开关为晶体管2N2222A,高频放大三极管，在理想状态下与R4相比，若使用导通电阻很低的FET或线性IC门的话，就可以减少误差。图中的D2二极管是过滤掉方波的负向最大值。波形通过Q1后转换成Vi/2到0v的阶跃波形。再通过积分器电容充放电使得三角波产生。生成的三角波再通过比较器反作用产生方波，方波的幅值约等于工作电压，如给10负工作电压输出约为9.12伏，而三角波最大值约为方波一半，4伏左右。电阻R2与R7给A2很大的迟滞，从而就会以零点为中心，是比较器的阈值在正负向振荡，转化成对应的A1输出电压的极性。设输出电压为正负VL，那么比较放大器的阈值为正负VL*R2/(R2+R7)。实物调试成功后波形的频率以每伏约64赫兹变化。波形和三角波的线性较好。最高的控制电压甚至能达到10V以上。 图（4） 上图（4）为压控振荡器的整体电路图，首先由控制电压为运算放大器U1提供输入电压，整个电路产生自激振荡，电容充电，完成后放电，形成了三角波，从U1的输出端输出三角波，三角波经过迟滞比较器，产生方波，方波的峰值为：Uo2=5R5R7。其值约为4.17V。所以三角波的峰值为：Uo1=4.17R5（R5+R7）。其值约为1.896V。方波在R6上面传输，当Uo2=4.17V时，电压经过三极管把电流放大、反向，然后传输给比较器，此时比较器充电，当Uo2=-4.17V时，三极管被二极管短路，电流直接流入到地，三极管不能正常工作集电极电压为0V。所以此时的电容C2放电，形成了一个完整的三角波。输出的三角波、方波的波形图如下图（5）所示。图（5）2.5 压控分析 压控振荡器是利用输入电压U来控制振荡频率的电路，若用直流电压作为U，压控振荡器可制成频率调节十分方便的信号源，弱用正弦电压作为U压控振荡器就成了调频振荡器，图（4）即为压控振荡器。由上面可知三角波的幅值Uo1m=R2(R2+R7)Uo2m，由此可见三角波的幅值可由R2、R7控制。又因为三角波的电压大小Uo1由0上升到Uo1m所需时间为T4，所以由积分电路的运算关系可得三角波的幅值：Uo1m=1C（UiR1）dt(0到T4的积分)由运算放大器的“虚短”和“虚断”可知道Ui=U2（其中U为控制电压的大小）。带入公式：可得到T=8Uo2mR2R4CU(R2+R7)。2.6 仿真过程及记录 给两个运算放大器提供5V的电压以保证其正常工作，给电路的输入端也提供5V的控制电压电压，把两个输出端连接到示波器上，的到的图形如下图（6）所示，在示波器上读出方波的峰峰值为Vp-p=8.4V、三角波的Vp-p=3.8V，频率f=322Hz，而用上述公式算出的结果为328Hz，与仿真结果相差不大。图（6） 当给输入的直流电压变为U=2V时的到的波形如下图（7）所示。图（7）可读的方波电压的峰峰值为Vp-p=8.4V、三角波的Vp-p=3.8V，频率f=128Hz，而用上述公式算出的结果为131Hz，与仿真结果相差不大。2.7 实际电路安装与调试2.7.1元件列表： 运放uA741 2个电阻100K 3个电阻51K 3个电阻120k 1个二极管（1N914） 2个电容0.01uF 1个三极管（2N2222A） 1个+5V电源 2个-5V电源 1个2.7.2调试环节：1、检查电路及电源电压检查电路元器件是否接错，注意晶体管管脚、二极管方向、电解电容极性是否接对、焊接点是否牢固等，检查电路无误，再测电源电压的数值和极性是否符合设计要求。一切正常之后方可接通电源开始调试实验。2、静态调试先不接输入信号，测量各级晶体管静态工作点。凡处于放大状态的三极管，测量其Vce和Vbe，不应出现零状况，Vbe=0表示管子截止损坏， Vce=0表示管子饱和或击穿，均需要找出原因排除故障。处于放大状态的三极管Vbe为0.6V左右，Vce 12V。3、动态调试接输入信号，各级电路的输出端应有相应的信号输出。线性放大电路不应有非线性失真；波形产生及变换电路的输出波形也应符合设计要求。调试时，可由前级开始逐级向右检测，这样容易找出故障点，及时调整改进。4、指标测试电路能正常工作之后，即可进行技术指标测试。根据设计要求。逐个测试指标完成情况。第三章 心得体会正所谓“纸上得来终觉浅，觉知此事要躬行。”学习任何知识，仅从理论上去求知，而不去实践、探索是不够的。因此在学期末来临之际，我们迎来了模拟电子技术基础课程设计。在整个设计过程中我懂得了许多东西，也培养了独立思考和设计的能力，树立了对知识应用的信心，相信会对今后的学习工作和生活有非常大的帮助，并且提高了自己的动手实践操作能力， 使自己充分体会到了在设计过程中的成功喜悦。虽然这个设计做的不怎么好，但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获和财富，使我终身受益。在没有做课程设计以前，觉得课程设计只是对知识的单纯总结，但是通过这次课程设计发现自己的看法有点太片面，课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，也是对自己能力的一种提高，通过这次课程设计使自己明白了原来的那点知识是非常欠缺的，要学习的东西还很多，通过这次课程设计，明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作和生活中都应该不断的学习，努力提高自己的知识和综合素质。希望以后像这样的课程设计在多一点。此次课程设计，我们小组准备了两套方案，由于另一组方案的设计较本组方案难，且在Proteus仿真中遇到了许多困难，比如说Proteus中没有稳压管的仿真模型，找不到合适的运算放大器等等，所以我们选择了报告中给出的方案。此次课程设计是分小组进行的，每个人负责的部分不一样，包括Multisim仿真、Proteus仿真、实物的制作等。每个人负责的那部分都十分重要，比如仿真没出来之前实物是不能做的。所以此次课设不仅考验了我们的操作能力、动手能力，还有我们的团队合作能力，我们的成绩是大家一起努力的结果，我希望我们小组能取得一个好的成绩。第四章 参考文献1. 吴友宇. 模拟电子技术基础. 北京：清华大学出版社，20092. 华中科技大学电子技术教研室编，康华光主编.模拟电子技术基础（第五版）.北京：高等教育出版社，19863. 陈大钦主编,电子技术基础实验电子电路实验、设计、仿真，高等教育出版社，2002年出版4. Paul Horowitz and Winfield Hill. The Art of Electronics.2ed. Cambridge University Press,19895. Mark N Horenstein. Microelectronic Circuits and Devices. 2nd ed. New Jersey: Prentice-Hall Inc,本科生课程设计成绩评定表姓 名性 别 男专业、班级信息工程学院电子信息工程题 目：方波、三角波压控振荡器电路的仿真与实现答辩或质疑记录：成绩评定依据：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字： 年 月 日